CN115057675A - 一种纤维增强型相变储能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强型相变储能混凝土及其制备方法，公开的纤维增强型相变储能混凝土，包含以下原材料：细沙、水泥、粉煤灰、减水剂、二氧化硅(SiO2)、相变微胶囊、聚乙烯醇纤维(PVA)和水。本发明通过去除粗骨料、优化细骨料、加入纳米改性剂等方法改善混凝土内部基体微观结构、提升微观界面性能，同时，引入高性能纤维材以平衡微胶囊对混凝土力学性能的削弱效应，突破普通储能混凝土力学‑热工性能之间的“倒置”关系瓶颈，形成兼具增韧补强和相变控温功能的纤维增强型相变储能混凝土，丰富了既有建筑安全‑节能一体化加固改造技术，且制备方法简便，易于工业化生产，可有效应用于我国大体量老旧建筑的安全、节能一体化加固改造。

Description

一种纤维增强型相变储能混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于装配式生态建筑技术领域，具体涉及一种纤维增强型相变储能混凝土及其制备方法。
背景技术
目前，我国既有建筑主要采用先抗震加固、后节能改造的分离式提升策略，效率低、扰动大、周期长，难以满足现阶段大体量、高标准的加固改造需求，亟需探索高效、快速的新型加固材料实现既有建筑安全、节能的一体化提升。
将高相变潜热材料通过微胶囊技术封装，并与混凝土、砂浆、石膏等维护结构支撑材料集成形成的新型相变储能建材为既有建筑的节能改造提供了新思路。但现有研究已证实，随着相变微胶囊掺量的增多，储能混凝土的热工性能逐渐提升，而力学性能则逐渐劣化，主要表现为：导热系数降低、比热容提高、储热能力增强；抗压、抗拉强度降低、弹性模量减小。这种力学-热工性能间的“倒置”瓶颈关系限制了储能混凝土加固既有建筑安全-节能性能的提升效果，成为储能混凝土有效应用于既有建筑一体化加固改造领域的“卡脖子”问题。
如论文“相变微胶囊/加气混凝土复合材料的热工性能”中记载了相变微胶囊掺量对热工性能的影响；
如申请号为201610028342.3的专利公开了一种相变储热混凝土及其制备方法。该专利先制备出水泥砂浆，然后制备出包裹了石油沥青的丁基橡胶胶囊，最后与硅灰、天然卵石子、石英砂、硫酸钙直接混合搅拌，浇筑成型出具有较高储热的混凝土。该发明虽然提高了混凝土的储热能力，但是降低了混凝土的强度。
如申请号为202111410470.1的发明专利公开了一种相变混凝土及其制备方法，先采用有机金属改性石墨烯，然后与相变基体材料进行复合，获得了具有导热性高的相变材料；然后采用微胶囊作为相变材料的封装形式，并且还通过加入钢纤维和纳米二氧化硅增强混凝土材料的强度，获得了储热能力良好，强度性能良好的相变混凝土材料。该发明存在以下几个问题：未去除粗骨料，对混凝土的韧性和延性会产生负面影响；选用钢纤维，由于其导热系数高，不利于墙体的保温隔热性能，且钢纤维表面光滑，难以与水泥基体间产生可靠粘结；采用有机金属改性石墨烯作为相变材料虽可以获得更优的储热性能，但导热金属化学稳定性差，易出现因壳材受损引发的相变芯材泄露的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维增强型相变储能混凝土及其制备方法，通过去除粗骨料、优化细骨料、加入纳米改性剂等方法改善混凝土内部基体微观结构、提升微观界面性能，同时，引入高性能纤维材以平衡微胶囊对混凝土力学性能的削弱效应，突破普通储能混凝土力学-热工性能之间的“倒置”关系瓶颈，形成兼具增韧补强和相变控温功能的纤维增强型相变储能混凝土，丰富既有建筑安全-节能一体化加固改造技术。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纤维增强型相变储能混凝土，包含以下原材料：细沙、水泥、粉煤灰、减水剂、二氧化硅(SiO2)、相变微胶囊、聚乙烯醇纤维(PVA)和水；
所述细沙、水泥、粉煤灰、水的质量比为(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)；
所述相变微胶囊的质量为细沙计算质量的5％～15％；
所述减水剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％；
所述二氧化硅的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.5％～2％；
所述聚乙烯醇纤维为混凝土总体积的1％～2％。
优选地，所述细沙的实际质量为按照细沙：水泥：粉煤灰：水的质量比＝(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)计算得出质量减去相变微胶囊的重量。
优选地，所述细沙的粒径不大于1.18mm。
优选地，所述水泥为强度等级不低于42.5R的普通硅酸盐水泥。
优选地，所述粉煤灰为Ⅰ级，其细度(45μm筛分)不大于12％，需水量比不大于95％，烧失量不大于5％。
优选地，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其减水率不小于30％，细度(0.315mm筛分)不小于90％。
优选地，二氧化硅为纳米二氧化硅，其粒径不大于15μm，烧失量不大于2.5％，45μm筛余物不大于250mg/kg，二氧化硅含量大于99.8wt.％。
优选地，所述相变微胶囊通过微胶囊技术将壳材封装芯材制备而成，直径小于25μm，其中芯材含量不低于70/wt.％，所述芯材为相变储能材料，热焓值不低于150kJ/kg，相变温度区间24℃～32℃，为正十八烷、硬脂酸丁酯、十四醇、十六醇中的一种或多种，所述壳材选自无机或有机高分子材料，为聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、环氧树脂中的一种，所述微胶囊技术选自核物质交换法、凝聚相分离法、原为聚合法、界面聚合法、乳液聚合法、喷雾干燥法、静电吸附法中的一种。
优选地，所述PVA纤维长度为12±2mm，直径为15～50μm，抗拉强度不低于1200MPa，弹性模量30～50GPa，断后伸长率6％～12％。
本发明另一方面，提供一种纤维增强型相变储能混凝土的制备方法，包含：
步骤1，按照质量比(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)的质量比分别称取细沙、水泥、粉煤灰、水，其中细沙的质量扣除相变微胶囊的质量；
步骤2，称取质量为细沙计算质量5％～15％的相变微胶囊与步骤1中的细沙、水泥、粉煤灰倒入行星式搅拌机以低速干拌2min；
步骤3，分别称取质量为步骤1中水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％的减水剂和0.5％～2％的二氧化硅，将二氧化硅通过超声分散技术均匀分散至水中，再混合减水剂一并掺入步骤2中的混合干料中低速搅拌1min；
步骤4，将行星式搅拌机转速调整至中速匀速搅拌混合浆料2min；
步骤5，将步骤4中混合浆料中体积1％～2％的PVA纤维掺入步骤4中的浆料中，并保持中速匀速搅拌2min；
步骤6，将行星式搅拌机转速调整至高速匀速搅拌混合浆料3min，即得到拌制完成的纤维增强型相变储能混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过去除粗骨料、优化细骨料、加入纳米改性剂等方法改善混凝土内部基体微观结构、提升微观界面性能，同时，引入高性能纤维材以平衡微胶囊对混凝土力学性能的削弱效应，突破普通储能混凝土力学-热工性能之间的“倒置”关系瓶颈，形成兼具增韧补强和相变控温功能的纤维增强型相变储能混凝土，提高混凝土的保温性能的同时，兼具优越的力学性能，提高了墙体抗震性，丰富了既有建筑安全-节能一体化加固改造技术，且制备方法简便，易于工业化生产，可有效应用于我国大体量老旧建筑的安全、节能一体化加固改造。
附图说明
图1为本发明纤维增强型相变储能混凝土制备步骤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
一种纤维增强型相变储能混凝土，包含以下原材料：细沙、水泥、粉煤灰、减水剂、二氧化硅(SiO2)、相变微胶囊、聚乙烯醇纤维(PVA)和水；
所述细沙、水泥、粉煤灰、水的质量比为(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)；
所述相变微胶囊的质量为细沙计算质量的5％～15％；
所述减水剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％；
所述二氧化硅的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.5％～2％；
所述聚乙烯醇纤维为混凝土总体积的1％～2％。
所述细沙的实际质量为按照细沙：水泥：粉煤灰：水的质量比＝(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)计算得出质量减去相变微胶囊的重量。
所述细沙的粒径不大于1.18mm。
所述水泥为强度等级不低于42.5R的普通硅酸盐水泥。
所述粉煤灰为Ⅰ级，其细度(45μm筛分)不大于12％，需水量比不大于95％，烧失量不大于5％。
所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其减水率不小于30％，细度(0.315mm筛分)不小于90％。
二氧化硅为纳米二氧化硅，其粒径不大于15μm，烧失量不大于2.5％，45μm筛余物不大于250mg/kg，二氧化硅含量大于99.8wt.％。
所述相变微胶囊通过微胶囊技术将壳材封装芯材制备而成，直径小于25μm，其中芯材含量不低于70/wt.％，所述芯材为相变储能材料，热焓值不低于150kJ/kg，相变温度区间24℃～32℃，为正十八烷、硬脂酸丁酯、十四醇、十六醇中的一种或多种，所述壳材选自无机或有机高分子材料，为聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、环氧树脂中的一种，所述微胶囊技术选自核物质交换法、凝聚相分离法、原为聚合法、界面聚合法、乳液聚合法、喷雾干燥法、静电吸附法中的一种。
所述PVA纤维长度为12±2mm，直径为15～50μm，抗拉强度不低于1200MPa，弹性模量30～50GPa，断后伸长率6％～12％。
纤维增强型相变储能混凝土的制备方法，包含：
步骤1，按照质量比(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)的质量比分别称取细沙、水泥、粉煤灰、水，其中细沙的质量扣除相变微胶囊的质量；
步骤2，称取质量为细沙计算质量5％～15％的相变微胶囊与步骤1中的细沙、水泥、粉煤灰倒入行星式搅拌机以低速干拌2min；
步骤3，分别称取质量为步骤1中水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％的减水剂和0.5％～2％的二氧化硅，将二氧化硅通过超声分散技术均匀分散至水中，再混合减水剂一并掺入步骤2中的混合干料中低速搅拌1min，低速的搅拌叶片公转为60r/min～70r/min；
步骤4，将行星式搅拌机转速调整至中速匀速搅拌混合浆料2min，中速的搅拌叶片公转为85r/min～95r/min；
步骤5，将步骤4中混合浆料中体积1％～2％的PVA纤维掺入步骤4中的浆料中，并保持中速匀速搅拌2min；
步骤6，将行星式搅拌机转速调整至高速匀速搅拌混合浆料3min，即得到拌制完成的纤维增强型相变储能混凝土，高速的搅拌叶片公转115r/min～125r/min。
本发明的纤维增强型相变储能混凝土在具备良好热工性能的基础上，导热系数不大于0.8W/mK，比热容不小于1.5J/(kg·K)，仍拥有良好的力学性能，抗压强度不低于40MPa，三点抗折强度不低于8MPa。
实施例2
一种纤维增强型相变储能混凝土，包含以下成分：粒径不大于1.18mm的细沙、P.O.42.5R水泥、Ⅰ级粉煤灰、减聚羧酸高性能减水剂、纳米二氧化硅(SiO2)、相变微胶囊、聚乙烯醇纤维(PVA)和水。
其中细沙、水泥、粉煤灰、水的质量比为1.3：1：3.0：1.3，相变微胶囊的质量为细沙计算质量的10％，减水剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.24％，二氧化硅的质量为水泥和粉煤灰总质量的1.5％，细沙的实际质量为按照细沙：水泥：粉煤灰：水的质量比＝1.3：1：3.0：1.3计算得出质量减去相变微胶囊的重量。
其具体制备步骤如下：
步骤1，按照比例分别称取细沙、水泥、粉煤灰、水备用，其中细沙的实际质量为计算质量扣除相变微胶囊质量后的质量；
步骤2，按比例称取相变微胶囊与步骤1中的细沙、水泥、粉煤灰倒入行星式搅拌机以低速干拌2min；
步骤3，按比例分别称取减水剂和二氧化硅，将二氧化硅通过超声分散技术均匀分散至水中，再混合减水剂一并掺入步骤2中的混合干料中低速搅拌1min；
步骤4，将行星式搅拌机转速调整至中速匀速搅拌混合浆料2min；
步骤5，将步混合浆料中体积1.5％的PVA纤维掺入浆料中，并保持中速匀速搅拌2min；
步骤6，将行星式搅拌机转速调整至高速匀速搅拌混合浆料3min，即得到拌制完成的纤维增强型相变储能混凝土。
根据《保温材料导热系数/热导率热阻测试》(GB/T 10295-2008)测试、计算纤维增强型相变储能混凝土的导热系数和比热容，测试结果见表1所示；参照混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2019)分别制备纤维增强型相变储能混凝土抗压强度试件和抗折强度试件，在标准养护室(温度为20±2℃，相对湿度不低于95％)养护28天后进行测试，测试结果见表2所示。
表1纤维增强型相变储能混凝土热工性能测试结果
Figure BDA0003670783050000061
表2纤维增强型相变储能混凝土力学性能测试结果
Figure BDA0003670783050000071
上述结果表明，本发明的纤维增强型相变储能混凝土在保持低导热系数、高热容的同时仍具备不低于40MPa的抗压强度和8MPa的抗折强度，其力学-热工性能可满足既有建筑安全、节能一体化加固改造需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，包含以下原材料：细沙、水泥、粉煤灰、减水剂、二氧化硅、相变微胶囊、聚乙烯醇纤维和水；
所述细沙、水泥、粉煤灰、水的质量比为(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)；
所述相变微胶囊的质量为细沙计算质量的5％～15％；
所述减水剂的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％；
所述二氧化硅的质量为水泥和粉煤灰总质量的0.5％～2％；
所述聚乙烯醇纤维为混凝土总体积的1％～2％。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述细沙的实际质量为按照细沙：水泥：粉煤灰：水的质量比＝(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)计算得出质量减去相变微胶囊的重量。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述细沙的粒径不大于1.18mm。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级不低于42.5R的普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级，其细度不大于12％，需水量比不大于95％，烧失量不大于5％。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其减水率不小于30％，细度不小于90％。
7.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所说二氧化硅为纳米二氧化硅，其粒径不大于15μm，烧失量不大于2.5％，45μm筛余物不大于250mg/kg，二氧化硅含量大于99.8wt.％。
8.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述相变微胶囊通过微胶囊技术将壳材封装芯材制备而成，直径小于25μm，其中芯材含量不低于70/wt.％，所述芯材为相变储能材料，热焓值不低于150kJ/kg，相变温度区间24℃～32℃，为正十八烷、硬脂酸丁酯、十四醇、十六醇中的一种或多种，所述壳材选自无机或有机高分子材料，为聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、环氧树脂中的一种，所述微胶囊技术选自核物质交换法、凝聚相分离法、原为聚合法、界面聚合法、乳液聚合法、喷雾干燥法、静电吸附法中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种纤维增强型相变储能混凝土，其特征在于，所述PVA纤维长度为12±2mm，直径为15～50μm，抗拉强度不低于1200MPa，弹性模量30～50GPa，断后伸长率6％～12％。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种纤维增强型相变储能混凝土的制备方法，其特征在于，包含：
步骤1，按照质量比(1～1.5)：1：(2.5-3.5)：(1～1.5)的质量比分别称取细沙、水泥、粉煤灰、水，其中细沙的质量扣除相变微胶囊的质量；
步骤2，称取质量为细沙计算质量5％～15％的相变微胶囊与步骤1中的细沙、水泥、粉煤灰倒入行星式搅拌机以低速干拌2min；
步骤3，分别称取质量为步骤1中水泥和粉煤灰总质量的0.16％～0.30％的减水剂和0.5％～2％的二氧化硅，将二氧化硅通过超声分散技术均匀分散至水中，再混合减水剂一并掺入步骤2中的混合干料中低速搅拌1min；
步骤4，将行星式搅拌机转速调整至中速匀速搅拌混合浆料2min；
步骤5，将步骤4中混合浆料中体积1％～2％的PVA纤维掺入步骤4中的浆料中，并保持中速匀速搅拌2min；
步骤6，将行星式搅拌机转速调整至高速匀速搅拌混合浆料3min，即得到拌制完成的纤维增强型相变储能混凝土。
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